Yaşamın kökenleri üzerine belirli konularda ayrıntılı bir şeyler karalamadan önce bu konu hakkında genel bir fikir sahibi olmanıza yardımcı olacak bir kitap önerisi ile başlamanın daha iyi olacağını düşündüm. Bu görev için seçtiğim kitap ise, teorik fizikçi Freeman Dyson‘ın 1999 basımlı Origins of Life adlı kitabı. Dyson 1923 doğumlu olduğuna göre bu kitabı emekliliğinin ikinci baharında, 76 yaşında yazmış!

Epey kötü bir kamera ile çekilmiş yukarıdaki fotoğrafta sağdan sola diyelim: Origins of Life (Freeman Dyson), Into the Cool: Energy Flow, Thermodynamics and Life (Eric Schneider & Dorion Sagan), The Origins of Life (John Maynard Smith & Eörs Szathmary).

Birinci ve üçüncü sıradaki kitaplar bu konulara meraklı ancak çok fazla bilgisi olmayanlar için herhalde konu üzerine yazılmış en anlaşılır iki kitap. Ben bu yazıda üçüncü kitabın “kısa” bir özetini yapacağım. Kitabın kendisi zaten çok kısa (90+ sf.) olduğundan bu özet kapsamlı olmayabilir; bununla birlikte, yeterince açıklayıcı olacağını ümit ediyorum. Öte yandna, JM Smith’in kitabı The Origins of Life kitabı aslında 1995 yılında yazmış olduğu The Major Transitions in Evolution adlı kitabının genel okuyucu kitlesi için yazılmış “hafif” sürümü. Dyson’ın kitabına kıyasla içeriğinin daha kapsamlı olduğunu söyleyebilirim. Örneğin, Maynard yaşam serüvenindeki önemli geçişlerden (transition) biri olarak gördüğü dil / iletişim konusuna da kitabında önemli bir yer arıyor. Dyson ise tüm kitap boyunca aynı konu üzerinde durmayı tercih ediyor. JM Smith’in kitabının da bir özetini fırsat bulunca yazacağım, karşılaştırmayı siz yaparsınız artık.

Dyson’ın kitabının yaşamın kökenleri üzerine ne tür kuramsal ve deneysel araştırmalar yapılıyor diye merak edenler için iyi bir başlangıç noktası olacağını düşünüyorum. Kitabın en büyük artılardan biri genel bir okuyucu kitlesi için yazılmış olduğundan ötürü, okuyucunun ilgisini dağıtacak teknik ayrıntılardan kitabın çoğu bölümünde özellikle kaçınılmış olması. İçeriğin organizasyonunu ve sunumunu da okuyucuya yardımcı olacak şekilde düzenlenmiş. Kitabın giriş bölümü bu alandaki çalışmaların tarihsel bir özetini içeriyor. Bu özet içerisinde, yaşamın kökenine ilişkin tartışmalara çeşitli alanlardan önemli katkılarda bulunmuş beş bilim insanın (“illustrious predeccessors”) görüşlerine yer veriliyor.

1. Erwin Schrödinger – What is Life? (1944) : Schrödinger, yaşamın kökenlerine ilişkin sorulara -benim nazarımda- ilk kez “bilimsel” bir kimlik kazandıran kişi. Schrödinger bir yıl önce üniversitede vermiş olduğu derslerin notlarının bir derlemesi olarak düşünebileceğiniz What is Life? adlı eserinde aslında çok basit bir mantıkla yaşamın kökenleri sorusuna bir fizikçinin penceresinden bakmayı deniyor. Fizik kurallarının evrensel olduğunu düşündüğümüzde, yaşamın ortaya çıkış öyküsü ne olursa olsun, bu öykünün fizik kuralları dahilinde gerçekleşmiş olması gerekir. Dolayısıyla, biyolojik yaşamın evrimini, yaşamın kökenleri de dahil olmak üzere, fizik (düzen, düzensizlik, entrop, termodinamik vs.) ve kimya (moleküller arası etkileşimler, moleküllerin doğal formları vs.) alanlardaki bilgimizi kullanarak açıklayabilmemize, teoride, hiçbir engelin olmaması lazım.

Schrödinger buradan yola çıkarak yaşamın kökeni sorununu bizim için oldukça sadeleştiriyor. Yaşamı karakterize eden temel iki işlevden söz etmek mümkün: metabolizma ve replikasyon. Neticede, yaşamın kökenini anlayabilmemiz için bu iki işlevin nasıl ortaya çıkmış olabileceklerini anlamamız gerekiyor. Daha da önemlisi, bu iki işlevin birbirleriyle nasıl bir ilişki içerisinde olduklarını bilmemiz gerekiyor.

2. John von Neumann(1948) : Neumann, bilgisayar mühendislerinin ve iktisatçılar çok iyi bildikleri bir isim.  Neumann’ın yaşamın kökenlerine ilişkin tartışmaya olan entelektüel katkısı daha çok bilgisayar alanındaki birikiminden geliyor. Neumann canlı bir organizmanın işleyişi ile bir otomatın işleyişi arasındaki benzerliğe dikkat çekiyor. Neumann’a göre bir otomat temel olarak iki bileşenden oluşuyor: Donanım ve yazılım. (Günümüzde oldukça aşina olduğumuz bu iki kavram o dönem için Neumann’ın özgün ve dahi zekasının ürünlerinden başka bir şey değil elbette.) Bir otomat için donanımın görevi bilgiyi işlemek; yazılım görevi ise, bu bilgiyi somut bir şekilde temsil etmek.

Neumann bu görev dağılımının bir benzerinin canlı bir organizma için de geçerli olduğuna dikkat çekiyor. Hücre için donanım (işlevsel birimler) demek temel olarak proteinler demek; yazılım (bilginin temsil edildiği yapı) ise elbette nükleik asitlerden başkası değil. Neumann’ın bu görev dağılımını Schrödinger’ın tanımladığı problemi göz önünde bulundurarak biraz daha netleştirelim. Hücre içerisindeki işlevsel birimlerin ya da proteinlerin çalışması doğrudan metabolizmaya karşılık geliyor. Bilginin temsili ve aktarımı ise replikasyon ile gerçekleşiyor. (Örneğin kalıtım bilgisinin DNA’da kodlanmış olması ve DNA’nın kendini kopyalaması ile bu bilginin aktarılması. Elbette, ne Schrödinger’in bu ders notlarını yayınladığı zaman, ne de Neumann’ın bu analoji üzerine kafa yorduğu zaman DNA’nın kalıtım birimi olduğuna dair bir bilgi yoktu elimizde.)

Neumann bu benzerliğe işaret etmekle kalmıyor tabii ki. Neumann’ın tartışmaya asıl katkısı metabolizma ve replikasyon arasındaki mantıksal ilişkinin izah edilmesi noktasında oluyor. Her ne kadar bu iki bileşen de elzem olsalar da, örneğin bir otomat için düşündüğümüzde donanımın yazılıma olan üstünlüğünü açıkça görebiliriz. Donanımı, dolayısıyla metabolizması, olan ancak yazılımı olmayan bir otomat işleyecek bir bilgi bulduğu sürece bağımsız bir şekilde kendi sürekliliğini idame ettirebilir. Öte yandan donanımı olmayan ama yazılım olan bir otomat parazit bir yaşam sürmek zorunda ve çoğalabilmek için halihazırda bir donanıma ihtiyaç duymak durumundadır. Mantıken, parazit yaşamın mümkün olabilmesi için öncelikli olarak ortamda bir konak organizmanın bulunması gerekiyor. Dolayısıyla, Neumann donanım / yazılım analojisinden faydalanarak Schrödinger’in ortaya attığı soruya bir cevap önermiş oluyor: Evet, metabolizma ve replikasyon birbirinden ayrı iki işlev olarak kabul edilebilir; ve bu iki işlev arasındaki ilişki muhtemelen önce “metabolizma sonra replikasyon” şeklinde olmuş olmalı.

3. Manfred Eigen & Leslie Orgel : Schrödinger ve Neumann’ın kuramsal düzeydeki katkıları yerlerini artık deneysel çalışmalara bırakmaya başlıyor. Eigen ve Orgel, Neumann’ın netleştirdiği mantıksal ilişkinin – önce metabolizma (donanım) daha sonra replikasyon (yazılım) – deneysel olarak test edilmesi için kollarını sıvıyorlar. Ancak kimyager olan Eigen ve Orgel’in çalışmalarına otomat gibi analojilerden ziyade nükleik asitler ve proteinler hakkında bildikleri kılavuzluk ediyor.

Bu bilgilerden en önemlisi, donanım ve yazılım ayrımının Neumann’ın otomat örneğinde anlattığı kadar keskin olmaması. Evet, gerçekten de hücre içerisinde metabolik aktivitelerin neredeyse tamamı proteinler tarafından yapılıyor, ve yine benzer şekilde bilgi aktarımı ve replikasyon nükleik asitlerin görev tanımı içerisinde. Bu noktada, karşımıza önemli bir istisna çıkıyor: RNA (ribonükleik asit). İsminden de anlaşılacağı üzere RNA bir nükleik asit, dolayısıyla Neumann’ın tanımına göre bu asidin görevlerinin yazılım ile kısıtlı olmasını bekleriz. Ancak RNA özel bir molekül, ve hem donanım hem de yazılım olarak işlev görebiliyor. RNA’nın kendini replike edebilmesi için (replikasyon / yazılım), bir önceki bölümden hatırlayacağınız üzere, metabolizmaya yani donanıma ihtiyacı var. Bu durumda hem de belirli bir donanıma ihtiyacı var: RNA’nın kendini replike edebilmesi için gerekli protein enzimlerine! Ama RNA’nın özel durumu, hem donanım hem de yazılım işlevi görebilmesi, acaba RNA hiçbir donanıma, yardımcı proteine, ihtiyaç duymaksızın kendini replike etmiş olabilir mi sorusunu akla getiriyor. “RNA Dünyası” (RNA world) adı verilen dönem işte RNA’nın hem donanım hem de yazılım görevlerini kendi başına yapabildiği düşünülen döneme karşılık geliyor.

RNA’nın bu ilginç özelliği deneysel çalışmaların da RNA üzerinde yoğunlaşmasına neden oluyor. Basitleştirirsek, “cansızdan canlı üretmek mümkün mü” sorusu deneysel olarak, RNA’nın yapıtaşları olan nükleotit monomerlerden RNA’nın kendi başına sentezlenmesi / üretilmesi mümkün mü sorusu haline getirilerek test edilmeye başlanıyor. Eigen ve Orgel temelde aynı hipotezi farklı iki yöntem ile test ediyorlar.

Eigen nükleotid monomerlerden bu monomerlerin kopyalayabilecekleri bir RNA şablonu olmaksızın RNA üretmeyi başarıyor. Ancak, RNA şablonu yerine monomerlerin ne yapmalarını söyleyen polimeraz enzimi kullanıyor.

Orgel ise benzer doğrultuda farklı bir deney yapıyor. Polimeraz enzimi kullanmak yerine, bazı koşullar altında, nükleotit monomerlerine kopyalamak için kullanabilecekleri bir RNA şablonu vermek bu monomerlerin polimerleşerek RNA üretmesini olanaklı kılıyor.

Sonuç olarak, her ikisi de “cansızdan canlı üretmeyi” başarmış oluyorlar. Ancak her iki deneyde de bu sentez sürecini yönlendiren, yardımcı olan aparatlar (polimeraz enzimi ve RNA şablonu) kullanılıyor. Eğer RNA’nın hakikaten donanım ve yazılıma sahip ilk molekül, dolayısıyla yaşamın kökenlerine ivmeyi kazandıran ilk molekül, olduğunu kanıtlamak istiyorsak enzim ya da şablon kullanmadan RNA üretebiliyor olmamız gerekiyordu. Dolayısıyla, bu anlamda iki deney de istenilen sonuca ulaşamıyorlar.

4. Lynn Margulis (1970, 1981): Lynn Margulis’in çalışmalarının bu tartışmadaki yerine geçmeden önce magazinel sayılacak birkaç ayrıntıyı paylaşayım. Lynn Margulis efsane Carl Sagan’ın ilk eşi. Sagan ile evliliğinden olan erkek çocukları Dorion Sagan ismi tanıdık gelebilir size. Zira kendisinden bu yazının hemen başında ismen de olsa bahsettim. Bu yazıya eklediğim kalitesiz fotoğrafta ortadaki kitabın yazarlarından biri Dorion. Fırsat bulabilirsem o kitaptan da başka bir yazıda bahsederim artık. Bu yazıda Dorion’ın annesinin çalışmalarından bahsedeceğim. Önce kısa bir giriş yapayım.

Sayısal bölümlerde okumuş olanlarınız biyoloji derslerinden hatırlayacaklardır; hücrenin organellerinden biri olan mitokondrinin kendisine özel bir DNA’sı bulunuyor. O zamanlar, örneğin lise yıllarında, neden mitokondrinin kendisine özel bir DNA’sının olduğunu sormak hiç aklıma gelmedi. Diğer öğrencilerin de bu konuda soru sorduklarını da hatırlamıyorum. Akıllarına gelmiş olsa dahi sormak ihtiyacı hissetmemiş olabilirler belki. Peki, şimdi soralım o zaman bu soruyu: mitokondrinin neden kendisine özel bir DNA’sı var?

Lynn Margulis’in kendisinin geliştirmediği ama önemli ölçüde popülerize ettiği endosimbiyoz tezine göre mitokondri hücre içerisinde meydana gelmedi; hücreye dışarıdan girip hücreyi bir anlamda işgal eden canlı organizmaların işgal ettikleri hücre ile geliştirdikleri karşılıklı ortaklık (mutualizm) neticesinde daha önce ayrı bir organizma iken daha sonra bu hücrenin bir parçası, organeli halie geldi. Bu hastalıklı organizma hücreyi ilk kez işgal ettiğinde sadece bir kronik parazit iken (parazitizm), zamanla önce simbiyotik bir partner (simbiyoz), daha sonra konakla olan ilişkisinin hem konağa hem de kendisine evrimsel avantaj kazandırması nedeniyle hücrenin vazgeçilmez bir parçası haline geldi (simbiyogenez = parazitizm + simbiyoz).

Endosimbiyoz teorisi günümüzde birçok deneysel çalışma ile desteklenmiş durumda. Mitokondri gibi kloroplastın da benzer bir evrimsel süreç izlediğini biliyoruz. Hem mitokondrinin hem de kloroplastın moleküler yapıları yabancı bakteri yapılarına, bulundukları hücrenin moleküler yapılarına benzediğinden daha fazla benziyor. Bir başka deyişle, şu an sizin hücrelerinizden birini alsak, içinden mitokondriyi çıkartsak ve bu mitokondriyi oluşturan moleküler yapıları hem sizin hücrelerinizdeki diğer yapılarla hem de yabancı, alakasız bir bakterinin yapıları ile karşılaştırdığımızda mitokondrinizin yabancı bakteriye hücrelerinizdeki yapılara benzediğinden daha çok benzediğini görürüz.

Bu hikayenin bizim yaşamın kökenleri tartışmamıza ne katkısı var peki? Daha önceki bölümlerde donanım / yazılım ve metabolizma / replikasyon görev dağılımlarından bahsetmiştim. Schrödinger’in metabolizma ve replikasyon arasındaki ilişkinin doğasına ilişkin sorduğu soruya Neumann matematiksel mantıktan faydalanarak bir yanıt vermişti. Bu yanıt donanımın, yani metabolizmanının, yani proteinlerin, mantıken yazılımdan, yani replikasyondan, yani nükleik asitlerden daha önce varolmuş olması gerektiğiydi. Bu tabloyu göz önünde bulundurduğumuzda yaşamın ortaya çıkışı üzerine iki senaryo üretebiliriz. İlk senaryoya göre, ilk canlı organizmalar hem donanım hem de yazılım aparatlarını birarada bulunduruyorlardı. Bu senaryoya tek-köken hipotezi (single-origin hypothesis) deniyor. Diğer senaryoya göre ise, yaşam iki kez ortaya çıktı – çift-köken hipotezi (double-origin hypothesis). Bu ikinci hipoteze göre sadece donanımı olan organizmaların belirlemesi bir köken, sadece yazılımı olan organizmaların belirlemesi bir başka köken ve bu iki köken birbirlerinden bağımsız şekilde ortaya çıkıyorlar. Dyson bu ikinci görüşü savunuyor.

Margulis’in endosimbiyoz kuramı ışığında bu çift-köken hipotezini daha açık bir şekilde ifade edersek eğer şöyle bir çıkarımda bulunabiliriz: ilk organizmalar proteinlere benzeyen enzimlerin yönettiği metabolic aparatları olan ancak genetik aparatları (replikasyon / yazılım) olmayan organizmalardı. Öte yandan, nükleik asitler -özellikle RNA- en eski ve en başarılı hücresel parazitlerdi. Ortamda bulunan nükleotit monomerler bir önceki bölümde Eigen’in deneyinde belirtilen adımları izleyerek RNA üretmeye başladı. Bu ilk RNA’lar protein bazlı hayat (donanım var, yazılım yok) için önceleri hastalık anlamına geliyordu.(parazitizm) Ancak daha sonra protein bazlı hayat bu RNA’ları kullanarak replikasyon yapabilmeyi (yazılım) öğrendi. (simbiyoz) Protein bazlı hayat ile RNA “paraziti” arasındaki ilişki böylelikle bir ortaklığa dönüştü. (simbiyogenez)

5. Motoo Kimura (1983,1985) : Kimura’nın moleküler evrimin işleyişini -özünde istatistiksel çalkalanmalara (statistical fluctuations) dayanan- açıklamaya yönelik geliştirmiş olduğu matematiksel yaklaşımı, Dyson yaşamın kökeni üzerine geliştirdiği kendi teorilerini matematiksel bir zemine oturtmak için kullanıyor. (Kimura moleküler evrim konusundaki en önemli isimlerden biri. Moleküler evrim üzerine bir yazı dizisi planı var kafamda. Kimura’nın adaptasyonun evrimsel sürecinde sürüklenmenin (drift) doğal seçilimden daha fazla rol oynadığını öne sürdüğü teorisi, “neutral theory of molecular evolution“, üzerine ayrıntılı bir şekilde bahsettiğim mesaj dizisi içerisinde değineceğim.)

Dyson bu tarihsel özetin ve girişin ardından bu görüşleri “deneyler ve kuramlar” bölümünde temsili üç teori altında topluyor. Bu üç teorinin amacı metabolizma ve replikasyon arasındaki mantıksal ilişkiden faydalanarak yaşamın ortaya çıkışı süresince meydana gelen önemli olayları kronolojik bir sıraya koyabilmek.

– Oparin’in teorisine göre önce hücre, sonra enzimler, daha sonra genler meydana geldi. Bu teoride metabolizmanın replikasyondan çok daha önemli ve birincil olduğu varsayılıyor.

– Eigen’in teorisine göre önce genler, sonra enzimler, daha sonra hücreler meydana geldi. Bu teoride replikasyonun metabolizmadan çok daha önemli ve birincil olduğu varsaılıyor.

– Son olarak Cairns-Smith’in teorisine göre, önce balçık içerisinde kristal mineralla vardı. Daha sonra enzimler, sonra hücreler ve ondan sonra genler.

Bir anlamda hücresel biyolojik örgütlenmenin nasıl bir evrim izlediği sorusuna yanıt aranıyor. Bu kitapta bu örgütlenmeye ilişkin ayrıntılara girilmiyor. Onun için bu konuların muhtemelen ayrı ayrı ve dolayısıyla daha kapsamlı olarak işlendiği kaynaklardan faydalanmak gerekiyor.

Bir sonraki bölümde Dyson Oparin’in teorisini iskelet olarak kullandığı kendi modelinin ayrıntılarını paylaşıyor. İstatistiksel olarak Kimura ve Fischer’ın matematiksel modellerinden faydalanan Dyson, üç parametreli bir moleküler popülasyon modeli oluşturuyor. Modelde yer alan parametreler:

– a: Monomer birimlerinin kimyasal çeşitlilikleri,

– b: Kimyasal reaksiyonların ne kadar başarılı gerçekleştikleri,

– N: Moleküler popülasyonun büyüklüğü.

Bir hücre düşünelim ve bu hücrenin sadece çeperi kimyasal olarak etkin alan olsun – yani hücre içerisindeki tüm kimyasal reaksiyonlar bu çeper üzerinde bulunan moleküller arasında gerçekleşiyor. Bu alanda bulunan moleküllerin toplam sayısı bize N’i veriyor; bu moleküllerin birbirlerinden kimyasal olarak ne kadar farklı oldukları a parametresini veriyor. Örneğin, doğada 20 adet amino asit bulunuyor. Bu amino asitlerin bu modelde yer aldığını varsaymış olsaydık, a parametresi 20 olacaktı – 20 değişik molekül. b parametresi mevcut moleküller arasındaki kimyasal reaksiyonları üretimlerine göre karşılaştırmaya yarıyor. Örneğin X ve M molekülleri biraraya geldiklerinde 5 adet C oluşturabilirken, X ve G molekülleri biraraya geldiklerinde 100 tane C oluşturabiliyor ise, XG’nin XM’e göre b parametresi 100:5 yani 20:1 oluyor – 20 kat daha başarılı. Elbette modeldeki bu parametreler bazı varsayımlar etrafında şekilleniyor. Kitapta bu varsayımlar ayrıntılı olarak yer alıyor, ancak ben bu yazıda bahsetmeyeceğim. Sadece modelin nasıl oluşturulduğuna dair bir fikir vermek istedim.

Son bölümde ise hem kendi modelinin sonuçlarından faydalanarak, hem de mevcut kuramsal ve deneysel araştırmaların sonuçlarını göz önünde bulundurarak hazırladığı halen yanıtlanmamış sorular üzerine spekülasyonda bulunuyor. Bu son bölümdeki sentezi (bir teorik fizikçinin biyolojik organizasyonun kökenlerine ilişkin görüşleri) kitabın diğer bölümlerinden bağımsız olarak tek başına dahi okunmaya değerli.

http://amfoes.wordpress.com/2010/10/18/yasamin-kokenlerine-giris/